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Die Erfindung betrifft eine Aktorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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In der Automobilindustrie sowie in vielen anderen Bereichen wird seit langem nach einer technischen Möglichkeit gesucht, formveränderliche Oberflächen bereitzustellen und anzusteuern, mit denen freiwählbare und dynamisch veränderliche dreidimensionale Bilder erzeugt werden können. Die Bilder sollen in Form oder optisch und haptisch wahrnehmbarer Erhöhung aus einer Neutralebene hervortreten beziehungsweise sich von dieser abheben und dabei möglichst kantenscharfe Formen und Konturen ausbilden. Für dynamische Anwendungsszenarien könnten somit beispielsweise oszillierende Wellen oder sich über die Oberfläche bewegende geometrische Formen dargestellt werden. Vielfach wird auch der Wunsch nach einer veränderlichen Oberflächentextur geäußert. Es fehlt jedoch bislang eine Aktor-Technologie, mit der solche dreidimensionalen Bilder zuverlässig und hochauflösend generiert werden können.
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Die
WO 98/41962 A2 offenbart eine aktorsierbare haptische Anzeige umfassend einen Aktor mit einer oder mehreren Formgedächtnisfedern. Eine Formgedächtnisfeder wird erhitzt und drückt einen Stift in eine erste oder ausgefahrene Position. Der Stift kann in der ersten Position durch einen Stützmechanismus gehalten werden. Die Formgedächtnisfeder wird elektrisch beheizt. Die Vorrichtung kann für haptische Anzeigen verwendet werden, die in einer Benutzeroberfläche von einem Softwareprogramm und einer Anzeigesteuerung bereitgestellt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Aktorvorrichtung zu schaffen, mittels welcher besonders zuverlässig dreidimensionale Bilder im Kraftfahrzeug erzeugt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Aktorvorrichtung gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Aktorvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit zumindest einem beweglichen Aktorelement, welches aus einer Verstaustellung in eine Endstellung in Abhängigkeit von einem Steuersignal der Aktorvorrichtung bewegbar ist.
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Es ist vorgesehen, dass das Aktorelement in zumindest zwei Halteeinrichtungen eingebracht ist, wobei sich ein erstes Formgedächtniselement an dem Aktorelement und einer ersten Halteeinrichtung abstützt und ein zweites Formgedächtniselement an dem Aktorelement und einer zweiten Halteeinrichtung abstützt, und wobei durch Ansteuern des ersten Formgedächtniselements und/oder des zweiten Formgedächtniselements das Aktorelement bewegbar ist.
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Somit können beliebig veränderliche, dynamische Oberflächenmorphologien nicht direkt in der Oberfläche erzeugt werden, sondern können indirekt, beispielsweise mittels einer Membran erzeugt werden. Somit wird die Membran, beispielsweise ein textiles Gewebe, indirekt aktuiert, wobei hierzu das zumindest eine Aktorelement genutzt wird. Für die Übertragung eines dreidimensionalen Bilds auf die Membran ist eine Vielzahl von individuell stellbarer Linearaktoren notwendig, die an der Membranunterseite befestigt sind und diese in ihrer Höhe verstellen. Grundbedingung hierfür ist die elastische Eigenschaft der Membran. Jeder Linearaktor ist für die Darstellung jeweils eines Bildpunktes zuständig (Pixel, Taxel, Voxel).
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Für ein hochaufgelöstes und kantenscharfes Bild ist also eine hohe Dichte von Aktorelementen mit ausreichendem Hub unabdinglich. Dies wiederum bedingt den Einsatz äußerst schmaler Aktorelemente mit einer großen Auslenkung. Insbesondere ist somit eine Aktorvorrichtung mit einer Vielzahl einzelner linearer Stellglieder, insbesondere der Aktorelemente, vorgeschlagen, die einzeln aktuierbar sind, aber eine überaus hohe Taxeldichte aufweisen und darüber hinaus an der Oberseite fest mit einer elastischen Membran verbunden sind. Diese Aktorvorrichtung zielt auf Anwendungen im Fahrzeuginnenraum ab. Durch die individuelle Ansteuerbarkeit der Aktorelemente, durch die modulare Bauweise und durch eine hohe Flächendichte wird ein Bild beziehungsweise die Kantenschärfe von dreidimensionalen Objekten auf der Membran ermöglicht. Die linearen Aktorelemente weisen dabei eine komplexe Aktormechanik auf und weisen kein Lager, Gelenke, Wellen oder Hebel oder sonstige verschleißanfällige Bauteile auf. Das Aktorelement weist insbesondere einen Stößel auf, der mit Hilfe zweier gegenläufiger Formgedächtniselemente vor und zurück beziehungsweise hoch und runter bewegt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltungsform ist an der Oberfläche des Aktorelements eine Membran angeordnet.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Aktorvorrichtung eine Vielzahl von Aktorelementen aufweist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist auf einer jeweiligen Oberfläche der Vielzahl von Aktorelementen eine einzige Membran angeordnet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform sind die jeweiligen Aktorelemente separat ansteuerbar.
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Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Vielzahl von Zwischenpositionen zwischen der Verstaustellung und der Entstehung durch das Aktorelement einnehmbar ist.
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Die Aktorvorrichtung ist bevorzugt in einem Innenraum eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Daher betrifft ein weiterer Aspekt der Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Aktorvorrichtung nach dem vorhergehenden Aspekt. Ferner weist die Aktorvorrichtung eine elektronische Recheneinrichtung auf, welche beispielsweise zum Erzeugen des Steuersignals ausgebildet ist. Die elektronische Recheneinrichtung weist hierzu Prozessoren, Schaltkreise, insbesondere integrierte Schaltkreise, sowie weitere elektronische Bauteile auf, um ein entsprechendes Verfahren durchführen zu können.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform einer Aktorvorrichtung;
- 2 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer Aktorvorrichtung;
- 3 eine weitere schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform einer Aktorvorrichtung; und
- 4 eine weitere Perspektivansicht gemäß einer Ausführungsform einer Aktorvorrichtung.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine Ausführungsform einer Aktorvorrichtung 10. Die Aktorvorrichtung 10 ist für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für den Innenraum eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Die Aktorvorrichtung 10 weist zumindest ein bewegliches Aktorelement 12 auf. Vorliegend sind insbesondere eine Vielzahl von beweglichen Aktorelementen 12 dargestellt, insbesondere sechs bewegliche Aktorelemente 12.
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Ein jeweiliges Aktorelement 12 ist aus einer Verstaustellung 14 in eine Endstellung 16 über ein Steuersignal, beispielsweise einer elektronischen Recheneinrichtung 18, bewegbar. Es ist dabei vorgesehen, dass das Aktorelement 12 in zumindest zwei Halteeinrichtungen 20, 22 eingebracht ist, wobei sich ein erstes Formgedächtniselement 24 an dem Aktorelement 12 und einer ersten Halteeinrichtung 20 abstützt und ein zweites Formgedächtniselement 26 sich an dem Aktorelement 12 und an einer zweiten Halteeinrichtung 22 abstützt, und wobei durch Ansteuern des ersten Formgedächtniselements 24 und/oder des zweiten Formgedächtniselements 26 das Aktorelement 12 bewegbar ist.
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Ferner kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Aktorelement 12 eine Vielzahl von Zwischenpositionen zwischen der Verstaustellung 14 und der Endstellung 16 einnehmen kann.
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Insbesondere zeigt die 1, dass die Aktorvorrichtung 10 matrixförmig ausgebildet ist und beispielsweise parallel zueinander eine Vielzahl von Aktorelementen 12 aufweist, die gleichzeitig oder separat angesteuert beziehungsweise aktuiert werden können. Entsprechende Aktuierungseinrichtungen, beispielsweise die elektronische Recheneinrichtung 18, aller Aktorelemente 12 verlaufen ebenfalls parallel zueinander. Die Aktorelemente 12 werden an ihrem oberen und unteren Ende von zwei versetzt angeordneten, jedoch planparallelen Halteeinrichtungen 20, 22, welche beispielsweise als PCB-Platinen ausgeführt sein können, geführt und gehalten. Diese PCB-Platinen haben jeweils matrixförmig angeordnete Löcher, durch welche die Aktorelemente 12 geführt werden. Statt der PCB-Platinen können auch andere dünne Vorrichtungen mit matrixförmig angeordneten Löchern für die Aktorführung verwendet werden.
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Die beiden Formgedächtniselemente 24, 26, welche das Aktorelement 20 aktiv verstellen, sind miniaturisierte Federn aus einer Formgedächtnislegierung, die als elektrisch betriebene Energiewandler eingesetzt werden. Als Formgedächtnislegierung können beispielsweise NiTiNol verwendet werden. Die beiden Formgedächtniselemente 24, 26 umschließen dabei das Aktorelement 12 im Bereich zwischen den Halteeinrichtungen 20, 22 konzentrisch und werden an einem fest auf dem Stößel/Aktorelement 12 befestigten leitfähigen Zwischenstück 28 an diesem befestigt. Das leitfähige Zwischenstück 28 trennt dabei das erste Formgedächtniselement 24 vom zweiten Formgedächtniselement 26. Das erste Formgedächtniselement 24 wird zusätzlich an der ersten Halteeinrichtung 20 mechanisch und elektrisch kontaktiert, das zweite Formgedächtniselement 26 wird zusätzlich an der unteren Halteeinrichtung 22 mechanisch und elektrisch kontaktiert.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht gemäß einer Ausführungsform der Aktorvorrichtung 10. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist insbesondere auf einer jeweiligen Oberfläche der Aktorelemente 12 eine Membran 30 ausgebildet.
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Ferner zeigt die 2, dass die elektrische und mechanische Kontaktierung der Formgedächtniselemente 24, 26 über Kupferhülsen erfolgt, welche auf kreisförmige Leitpads 32 um die Löcher der Aktorelemente 12 innen auf der PCB-Platine angelötet sind. Die elektrische und mechanische Kontaktierung kann außerdem über gewickelte Drähte, so genanntes Wire Wraping, um die entsprechenden Enden bewerkstelligt werden. Die elektrische und mechanische Kontaktierung kann außerdem auch über Lötverbindungen mit den Leitpads 32 auf den PCB-Platinen erfolgen.
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Die beiden Formgedächtniselemente 24, 26 eines jeden Aktorelements 12 sind beispielsweise Druckfedern und haben bei Wärmeeintrag ab einem vordefinierten Temperatursprung das Bestreben, ihre Neutrallänge einzunehmen. Sie sind zu jedem Zeitpunkt leicht komprimiert und haben somit bei einer Aktuierung das Bestreben, ihre Länge zu vergrößern und der Komprimierung entgegen zu wirken. Wird nun beispielsweise das zweite Formgedächtniselement 26 mit elektrischem Strom beaufschlagt, wird dieses warm, entsprechend einer Widerstandsheizung, und vergrößert die Länge, wodurch das Aktorelement 12 durch den Kraftschluss über das leitfähige Zwischenstück 28 nach oben geschoben wird. Das erste Formgedächtniselement 24 wird bei diesem Vorgang zusammengepresst. Wird nun das erste Formgedächtniselement 24 bestromt, erwärmt es sich ebenfalls und drückt beim Überschreiten der Umschlagtemperatur das Aktorelement 12 wieder nach unten und komprimiert das zweite Formgedächtniselement 26, das bereits abgekühlt ist. Dieser Vorgang ist beliebig oft wiederholbar. Damit der Stromfluss nicht einfach von den Leitpads 32 der PCB-Platine über die Kupferhülsen und dann durch das Aktorelement 12 hindurch erfolgt und somit den Weg durch die Formgedächtniselemente 24, 26 umgeht, müssen die Aktorelemente 12 eine Oberflächenisolationsschicht aufweisen, die lediglich im Bereich des Zwischenstücks 28 und an einem Ende des Aktorelements 12 unterbrochen ist, über das der Strom abgeführt werden kann, der durch die Formgedächtniselemente 24, 26 getrieben wird. Wird nun eine elastische Membran 30 an die oberen Enden einer matrixförmig angeordneten Aktorelemente 12 befestigt, so überträgt sich die Bewegung der Aktorelemente 12 direkt auf die Membran 30 und es entsteht auf der Membranoberseite ein sichtbares Muster durch die jeweils nach oben ausgelenkten Aktorelemente 12. Diese Muster sind im Vergleich zu diskreten Systemen ohne Membran 30 kontinuierlich und weitgehend kantenscharf, was einen entsprechenden Neuigkeitswert darstellt.
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3 zeigt eine weitere schematische Perspektivansicht gemäß einer Ausführungsform einer Aktorvorrichtung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist gezeigt, dass eine Vielzahl von Aktorelementen 12 ausgebildet sein können. Mit anderen Worten ist eine Art Modul gezeigt. Hierzu können die entsprechenden Steuereinrichtungen beispielsweise die elektronische Recheneinrichtung 18 auf einer weiteren Platine 34 ausgebildet sein. Insbesondere zeigt somit die 3 ein modulares System, in welchem ein Modul aus einem sich abgeschlossenen Aktorsystem incl. Steuerelektronik und Taxelmechanik ausgebildet ist. Alle Module arbeiten in allen Funktionen autark unabhängig voneinander, können jedoch miteinander verbunden und derart zusammengesetzt werden, dass sie ein beliebig skalierbares Aktorsystem bilden. Jedes Moduls weist vertikale PCB-, vorliegend insbesondere die weitere Platine 34 auf, welche beidseitig gespiegelt ist. Beide Seiten haben die gleichen elektronischen Bauteile incl. Mosfets und Prozessoren und die gleiche Leiterbahntrassierung, welche die komplette Steuerelektronik für die jeweilige Modulseite darstellen. Jede Seite betreibt zwischen 5 und 20 Aktorelemente 12, die in einer Reihe hintereinander im gleichen Abstand integriert sind.
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4 zeigt eine nochmals weitere schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Aktorvorrichtung 10. Vorliegend ist insbesondere gezeigt, dass mehrere Module auch parallel zueinander verbunden werden können, wobei die Aktorelemente 12 auch den gleichen lateralen Abstand aufweisen können und somit eine entsprechende Matrix mit gleichen Abständen in Längs- und Querrichtung aufweisen. Da alle Module unabhängig voneinander adressiert und betrieben werden können, ist die Anzahl der parallel betriebenen Module prinzipiell nicht limitiert. Wenn neben der entsprechenden Breite auch die entsprechende Höhe vergrößert werden soll, können weitere Module an die Vorderkante des in der 3 dargestellten Modul-Arrays angebaut werden, wenn diese zuvor um 180 Grad gedreht werden. Im vorliegenden Fall wird somit die Höhe dann durch die zweifache Anzahl der Aktorelemente 12 pro Modulreihe limitiert.
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Die Basis eines Moduls bildet eine vertikale PCB mit jeweiligen Abkantungen unten und oben, welche die Aktorelemente aufnehmen. Die Abkantungen können entweder aus zwei zusätzlich gefertigten und angelöteten PCBs ausgebildet sein oder das Modul wird integral mittels Molted Interconnection Device (MID)-Technologie gefertigt. Letzteres erfordert eine Aktivierung der Oberflächenbereiche mittels beispielsweise eines Lasers, die im Anschluss galvanisch beschichtet und somit leitfähig gemacht werden. Dieser Prozess ist zwar industriell ausgereift, jedoch durch die Laser- und Galvanikbehandlung recht teuer und aufwendig.
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Die Befestigung der bildgebenden Membran 30 auf der Oberseite erfolgt nach vorliegender Erfindung durch selektiven Kleberauftrag auf die vorbehandelten Köpfe der Aktorelemente 12, welche den Abschluss eines jeden einzelnen Aktorelements 12 darstellen. Die Klebepunkte werden mit einem speziell programmierten Dispensor auf die Mitten der runden Stößelköpfe aufgetragen, anschließend wird die vorgespannte Membran darauf gesetzt und der Kleber thermisch ausgehärtet, so dass eine feste Verbindung zwischen der Membran 30 und Aktorelement 12 erfolgt.
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Als Membran 30 kommen hochelastische Textile und Gewebe in Frage, die sich weiter durch Blickdichtigkeit und ebener Oberflächenbeschaffenheit auszeichnen. Ziernähte auf der Membranoberfläche können einen dreidimensionalen Effekt bei der Aktuierung verstärken, sind jedoch als optionales Merkmal anzusehen.
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Durch die vorliegend vorgestellte Aktorvorrichtung 10 werden Bilder in Formen von dreidimensionalen Bildern auf einer flexiblen Oberfläche erzeugt. Insbesondere ist hierbei ein modulares Aktorsystem beschrieben, mit dem erstens eine Skalierung der bildgebenden Taxelmenge erfolgen kann und zweitens anstatt diskreter Taxelpunkte kontinuierliche Bilder auf einer Oberfläche erzeugt werden können. Mit dem hier durch die Aktorvorrichtung 10 erzielten sehr geringen Taxelabständen von beispielsweise weniger als 2 mm und insbesondere beispielsweise runden, mittig mit der Membran 30 verklebten Köpfen der Aktorelemente 12 sind fein aufgelöste, kontinuierliche und kantenscharfe dreidimensionale Bilder möglich.
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Mit der vorliegenden Erfindung ist insbesondere ein modulares, skalierbares Aktorsystem beschrieben, wobei der Abstand zwischen den einzelnen Taxeln und somit die Auflösung der erzeugten Bilder sogar bis zu 1 mm genau verkleinert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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